在《通用技术》课程教学中“结构的强度与材料的形状有关”的小实

【摘要】结构的强度是通过构件和材料来体现的。构件在外力作用下会变形,同时,构件内部各质点之间的相互作用力发生了改变,这种改变的力为内力。外力越大,则构件的内力越大,当内力达到一定数值时,构件就会被破坏。在工程技术中不允许任何构件在正常情况下被破坏,
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  【摘要】结构的强度是通过构件和材料来体现的。构件在外力作用下会变形,同时,构件内部各质点之间的相互作用力发生了改变,这种改变的力为内力。外力越大,则构件的内力越大,当内力达到一定数值时,构件就会被破坏。在工程技术中不允许任何构件在正常情况下被破坏,这就要求构件和材料必须具有抵抗破坏的能力,这种能力就是强度。同时,在外力与材料不变的条件下,构件被破坏的危险程度还与它的横截面积有关。试验在于验证改变材料的形状,增加横截面积,从而增加结构的强度。
毕业论文
  【关键词】结构的强度 材料的形状 横截面积
  构件单位横截面积所受力的内力称为构件的应力,应力、内力和横截面积之间的定量关系是:б=N/A(б是应力,N是内力,A是横截面积)。在内力不变的情况下,构件的横截面积越大,应力越小,危险性越小。因此,在材料相同的情况下,应力不变,横截面积越大,承载的力就越大,相同材料,改变横截面积的方法就是改变材料的形状。
  在普通高中课程标准实验教科书《通用技术》(必修2)广东版《技术与设计2》第一章第二节“探究结构”的分析中,讨论结构的强度与材料、强度与材料的形状时,课本中提到两个试验,就是改变材料的形状,从而增加材料的横截面积的方法。一个是3条长条形木条不同叠放方法的试验,另一个是用一张张A4纸,可以通过折叠成伸缩(手风琴式)的形式而得到加固,可以紧紧地卷成管状以进一步增强它的强度。为了验证该试验的真实性,我在上课的时候给学生做了如下试验。
  1实验目的
  通过试验,使学生加深结构的强度与材料的形状有密切关系的认识。
  2实验准备
  (1)3条长条形的木条,学生用书若干,粘木料用胶水1瓶,绑扎绳1根,重物若干;(2)70克的A4纸1张,满装粉笔的粉笔盒7个,散粉笔若干。
  3实验过程
  试验一:木条承重试验
  (1)如图1。将3条长条形的木条叠放在一起,放在两摞厚度相同的书上,两摞书保持一定的距离,然后在木条上悬挂的绑扎绳捆好的重物,逐渐增加悬挂物的重量,观察叠放的木条变形情况,做好称重记录。(2)将试验1中的3条长条形木条沿长边相互粘接,形成一个三棱柱体,放在与试验1相同厚度的书上,重复试验1的步骤,记录三棱柱的变形情况,并做好称重记录。
  通过比较,3条长条形木条粘接成三棱柱体,承重量大大增加。 试验二:纸张承重试验
  (1)如图2。先将2个粉笔盒并排与另外2个粉笔盒并排相距20cm摆放,将A4以搭纸桥的方式平
  放在2排粉笔盒上,然后将散粉笔分别以半支、1支放在A4纸的正中,当以半支粉笔放A4纸上时,A4纸没有发生较大的变化;当以1支粉笔放在A4纸上时,A4不能承载,发生坍塌。
  (2)先将2个粉笔盒并排与另外2个粉笔盒并排相距20cm摆放,将A4纸折叠成伸缩(手风琴式)的形式,以搭纸桥的方式平放在2排粉笔盒上,依次叠放1盒粉笔、2盒粉笔、3盒粉笔,当放到第3盒粉笔时,还没有发生明显变化,当放到第4盒粉笔时,发生明显的倾斜,最后坍塌。
  4实验总结
  (1)通过实验,验证了结构的强度与所用材料本身的形状(即通过改变材料的形状,增加材料的横截面积)有关。
  在试验一中,第1个试验是木条重叠摆放,横截面积与木条的本身的宽、高相关,承重物较轻,第2个试验是将2个木条沿长边相互粘接成一个三棱柱体,横截面积在原3条木条的基础增加了三棱柱内空的面积。3条材料相同的木条,采用不同的摆放方式,3条长条形木条以三棱柱摆放方式比3条长条形木条重叠叠放方式增加了横截面积,承重量就增加了。因此人们常常把构件直接做成一定的形状,如工业生产中的“工”字梁,角钢、管材等型材。由于这些型材在相同结构的情况下,具有用料少、质量轻等优点而被广泛应用。
  在试验二,第1个试验中,A4纸张的横戴面积是一定的,放半支到1支粉笔就将A4纸压弯;在第2个试验中,将A4纸折叠成伸缩(手风琴式)的形式,在材料不变的情况下,通过折叠,增加了材料的横截面积,从而增加了材料的强度,承载重物量就增加了,放1盒粉笔甚至3盒粉笔都没有发生变形弯曲情况,再放上一盒粉笔就开始变形了。此试?说明,相同的材料,改变了形状,增加了横截面积,强度也同时增加了。在实际工作中,如果是薄板材料,就可以像此实验一样,可以通过折叠改变结构来加固。
  同时,材料的横截面的形状也极大地影响它的强度,具有相同的横截面积,而不同截面形状的同种材料,强度也不相同。如“工”字形强度比半框形强度强,半框形强度比全框形强度强,全框形强度比空心圆柱形强度强等等。
  (2)此两次试验,操作简便、直观,所用材料容易准备,就地取材。
  在试验中,学生没有想到:第一,3条长木条采用不同的摆放方式,能完全改变承重量;第二,简单的A4纸经过折叠时成伸缩(手风琴式)的形式,承重大大地增加了,真是奇迹,感到惊讶,吁声一大片。此试验趣味性强,能通过游戏方式、分组试验方式,来增强学生对于“结构的强度与所用材料本身的形状密切相关”的知识性理解。
  (3)承重试验和承载试验应选择适当的材料和合适的尺寸,能使试验结果对比明显,增强说服力。
  (4)需要注意的是,在试验一中,摞放的书本应堆在平地上,不要摞得太高,注重稳定性,这样才能保证试验安全和顺利进行。

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